Nghiên cứu thử nghiệm bộ bù điện áp xoay chiều sử dụng bộ chuyển đổi trực tiếp ac ac

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH THÀNH ĐỒN TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH VƯỜN ƯƠM SÁNG TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ * BÁO CÁO NGHIỆM THU (Đã chỉnh sửa theo góp ý Hội đồng nghiệm thu ngày 17/09/2013) NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM BỘ BÙ ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BỘ CHUYỂN ĐỔI TRỰC TIẾP AC-AC Thủ trưởng Cơ quan chủ trì đề tài (Họ tên, chữ ký, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (Họ tên chữ ký) TS Nguyễn Minh Khai Giám đốc Sở Khoa học Công nghệ Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài đưa bù sụt/quá áp xoay chiều dựa chuyển đổi trực tiếp AC-AC nguồn-Z Cấu hình bù sử dụng chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z máy biến áp hai cuộn dây Trong suốt trình xảy cố sụt/quá áp, hệ thống bù thêm vào bớt phần điện áp chênh lệch giúp trì điện áp tải số Khi hoạt động bình thường, hệ thống bù hoạt động chế độ bypass, điện áp nguồn nối trực tiếp với tải giảm tổn hao Do bù sử dụng chuyển đổi xoay chiều nên khơng có thành phần lưu điện chiều ắc quy hay tụ lọc Lý thuyết hoạt động, phân tích mạch mơ Để tạo cố sụt/quá áp, máy phát sụt áp, áp pha 220 V chế tạo với cơng suất 500 VA phát áp đến 120% sụt áp sâu đến 60% điện áp danh định Ngoài mạch phát cố sụt/quá áp thực để phát cố hệ thống với thời gian đáp ứng nhanh sử dụng phương pháp tính giá trị đỉnh tín hiệu Các kết máy phát sụt/quá áp mạch phát cố sụt/quá áp kiểm chứng thực nghiệm dựa vi điều kiển DSP TMS320F2812 áp 20%, sụt áp 20% sụt áp 60% ABSTRACT This project deals with a type of voltage swell/sag compensator based on single-phase Zsource AC-AC converter The presented topology employs a pulse width modulation (PWM) Z-source AC-AC converter along with a transformer During a voltage sag/swell occupation, the proposed system adjusts the adding or missing voltage and maintains the rate voltage at the terminal of the critical load During normal conditions, the system works in bypass mode The proposed system does not require any large energy-storage elements such as batteries bank or bulk capacitors The operating principles, a circuit analysis and PSIM simulation of the proposed system are provided To generate sag/swell voltage, a single-phase 220 V, 500 VA sag/swell voltage generator was made with features 120% voltage swell and 60% voltage sag In addition, a sag/swell voltage detector based on peak voltage detection was shown with fast response The sag/swell voltage generator and detector were verified by experiment based on TMS320F2812 DSP at 20% voltage swell, 20% voltage sag and 60% voltage sag I MỤC LỤC Trang Tóm tắt đề tài/dự án (gồm tiếng Việt tiếng Anh) I Mục lục II Danh sách chữ viết tắt IV Danh sách hình IV Bảng toán VI BÁO CÁO NGHIỆM THU 1 Tên đề tài/dự án: Nghiên cứu thử nghiệm bù điện áp xoay chiều sử dụng chuyển đổi trực tiếp AC-AC Chủ nhiệm đề tài/dự án: TS Nguyễn Minh Khai Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học Công nghệ Trẻ Thời gian thực hiện: 12 tháng Kinh phí duyệt: 99.000.000 đồng Kinh phí cấp: theo TB số: 175/TB-SKHCN ngày 4/12/2012 Mục tiêu Nội dung ……………………………………………… Sản phẩm đề tài …………………………………… CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Ngoài nước 1.2 Trong nước CHƯƠNG II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung 1: Thiết kế chuyển đổi trực tiếp ac-ac dùng hệ thống bù 4 2.1.1 Lựa chọn thông số mạch nguồn-Z 2.1.2 Lựa chon linh kiện bán dẫn 2.2 Nội dung 2: Đề xuất bù sụt/quá áp 2.2.1 Lý thuyết hoạt động 2.2.2 Phân tích mạch hệ thống bù 2.3 Nội dung 3: Mạch tạo sụt áp, áp 10 2.4 Nội dung 4: Thiết kế mạch để phát cố sụt/quá áp 10 II 2.5 Nội dung 5: Nghiên cứu, thiết kế điều khiển bù điện áp 2.6 Nội dung 6: Xây dựng lưu đồ giải thuật, sơ đồ khối cho toàn hệ thống bù điện áp 2.7 Nội dung 7: Mô hệ thống 2.8 11 12 Nội dung 8: Chạy thử, hiệu chỉnh thiết bị đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống 2.9 Nội dung 9: Viết báo cáo, báo khoa học CHƯƠNG III: KẾT QỦA VÀ THẢO LUẬN 3.1 11 Nội dung 1: Thiết kế chuyển đổi trực tiếp ac-ac dùng hệ thống bù 14 15 16 16 3.2 Nội dung 2: Đề xuất bù sụt/quá áp 16 3.3 Nội dung 3: Mạch tạo sụt áp, áp 16 3.4 Nội dung 4: Thiết kế mạch để phát cố sụt/quá áp 17 3.5 Nội dung 5: Thiết kế mạch để phát cố sụt/quá áp 18 3.6 Nội dung 6: Xây dựng lưu đồ giải thuật, sơ đồ khối cho toàn hệ thống bù điện áp 19 3.7 Nội dung 7: Mô hệ thống 20 3.7.1 Mô mạch phát cố sụt/quá áp 20 3.7.2 Mô bù sụt/quá áp 21 3.8 Nội dung 8: Chạy thử, hiệu chỉnh thiết bị đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống 3.9 Nội dung 9: Viết báo cáo, báo khoa học 22 24 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 25 PHỤ LỤC 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 III DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT SEMI THUẬT NGỮ TIẾNG VIẾT Semiconductor Equipment and Material International DVR Dynamic Voltage Restorer ADC Analog to Digital Converter DANH SÁCH HÌNH SỐ TÊN HÌNH ẢNH TRANG Kết nguyên cứu vấn đề sụt/quá áp tổ chức Semiconductor Equipment and Material International (SEMI) Bộ bù điện áp DVR sử dụng nghịch lưu nguồn áp Bộ bù sụt/quá áp sử dụng biến đổi xoay chiều nguồn-Z Cấu hình chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z (a) Tải mắc điểm a b ; (b) tải mắc điểm b c Mối quan hệ độ lợi điện áp ngõ với tỷ số đóng ngắt chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z Sơ đồ khối hệ thống bù sụt/quá áp sử dụng chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z Minh họa bù điện áp v i : áp vào; v com : áp bù; v o : áp tải 8 Sơ đồ mạch tương đương hệ thống bù T kích đóng T kích ngắt (a) State 1; (b) State Sơ đồ mạch phát cố sụt/quá áp sử dụng máy biến áp 10 10 Sơ đồ khối mạch phát cố sụt/q áp cách tính 11 tốn giá trị đỉnh (peak voltage detector) 11 Sơ đồ khối mạch điều kiển áp tải thông qua PI IV 11 12 Lưu đồ giải thuật cho hệ thống bù sụt/quá áp 12 13 Mạch tạo cố sụt/quá áp 12 14 Mạch hồi tiếp tín hiệu điện áp vào áp 13 15 Mạch tạo xung kích khối DLL 13 16 Mạch động lực bù sụt/quá áp 13 17 Sơ đồ khối hệ thống bù sụt/quá áp sử dụng chuyển đổi 14 xoay chiều nguồn-Z 18 Hình thực tế phục vụ cho thí nghiệm đánh giá kết 15 hệ thống 19 Hình thực tế chuyển đổi xoay chiều ac-ac 16 20 Hình thực tế mạch tạo cố sụt áp 17 21 Mạch phát cố sụt/quá áp vẽ capture 17 22 Hình thực tế mạch phát cố sụt/quá áp 18 23 Kết mô mạch phát cố sụt/q áp Dạng 21 sóng phía trên: điện áp ngõ vào ; dạng sóng phía : tín hiệu hồi tiếp giá trị đỉnh áp vào 24 Kết mô hệ thông bị cố sụt/quá áp 22 25 Kết thí nghiệm mạch phát cố sụt/q áp Dạng 23 sóng phía trên: điện áp ngõ vào; dạng sóng phía : tín hiệu hồi tiếp phát cố áp vào (a) Sụt áp 20%, (b) sụt áp 60% (c) áp 16% 26 Kết thí nghiệm bù sụt/quá áp (a) sụt áp 20%, (b) sụt áp 60% (c) áp 20% V 24 BÁO CÁO NGHIỆM THU Tên đề tài: Nghiên cứu thử nghiệm bù điện áp xoay chiều sử dụng chuyển đổi trực tiếp AC-AC Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Minh Khai Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học Công nghệ Trẻ Thời gian thực đề tài: 12 tháng Kinh phí duyệt: 99.000.000 đồng Kinh phí cấp: theo TB số: 175/TB-SKHCN ngày 4/12/2012 Mục tiêu:  Mục tiêu tổng quát Sụt áp áp lưới điện gây hậu to lớn, làm gián đoạn sản xuất kinh doanh, gây thiệt hại đến kinh tế Đặc biệt loại tải có yêu cầu cao tính ổn định điện áp nguồn cung cấp thiết bị y tế, mạng máy tính hay dây chuyền sản xuất nhà máy nguồn điện cấp vào phải giữ ổn định Đa số bù sử dụng nghịch lưu nguồn áp với thành phần lưu điện kích thước lớn ắc quy, tụ điện Vì nhóm nghiên cứu đề xuất bù mới, sử dụng chuyển đổi xoay chiều để tránh sử dụng lưu điện Mục tiêu đề tài bước đầu nghiên cứu thử nghiệm bù với vùng hoạt động rộng lớn: sụt áp đến 40%, áp đến 140% Bởi sử dụng cơng nghệ bán dẫn nên bù thiết kế với đáp ứng nhanh Bộ bù cho phép hoạt động chế độ by-pass không xảy cố sụt áp áp  Mục tiêu cụ thể Để tiến hành thử nghiệm bù với yêu cầu nêu trên, đề tài dự kiến tập trung giải hai vấn đề cụ thể sau: o Thiết kế thử nghiệm mạch tạo sụt áp, áp dùng để phục vụ công việc thử nghiệm sụt áp, q áp phịng thí nghiệm cho bù o Thiết kế thử nghiệm mạch phát cố sụt/quá áp để đưa tín hiệu mạch điều khiển, giúp cho việc điều khiển ổn định điện áp ngõ Nội dung: Thiết kế chuyển đổi trực tiếp ac-ac dùng hệ thống bù Đề xuất bù sụt/quá áp Mạch tạo sụt áp, áp Thiết kế mạch để phát cố sụt/quá áp Nghiên cứu, thiết kế điều khiển bù điện áp Xây dựng lưu đồ giải thuật, sơ đồ khối cho toàn hệ thống bù điện áp Mô hệ thống Chạy thử, hiệu chỉnh thiết bị đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống Viết báo cáo, báo khoa học Sản phẩm đề tài  Bộ máy phát sụt áp, áp pha 220 V  Mạch phát cố sụt áp, áp  Quy trình hoạt động  Một báo hội nghị quốc tế báo tạp chí khoa học kỹ thuật CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Ngoài nước: Những vấn đề liên quan đến chất lượng điện hệ thống điện bao gồm: sụt áp (sag), áp (swell), pha hay vấn đề sóng hài (hamonics) Sụt/quá áp việc giảm/tăng điện áp cách đột ngột xảy khoảng thời gian ngắn từ chu kỳ đến vài giây Hình kết nguyên cứu vấn đề sụt/quá áp tổ chức Semiconductor Equipment and Material International (SEMI) Nhu cầu để có chất lượng điện tốt thúc đẩy người tiêu dùng tìm kiếm đến thiết bị để làm giảm sụt áp áp Một thiết bị hay dùng hệ thống tự điều chỉnh điện áp (Dynamic Voltage Restorer – DVR) [1] Hệ thống bao gồm nghịch lưu nguồn áp để đưa điện áp cần bù nối tiếp vào hệ thống kết hợp với máy biến áp cách ly Bởi sử dụng nghịch lưu nguồn áp, nên hệ thống cần phải có nguồn dc chiều ắc quy tụ điện lớn để lưu lượng hình Tuy nhiên hệ thống DVR hình khơng thích hợp cho bù điện áp sâu sụt áp xảy khoảng thời gian dài Đặc biệt loại tải nhạy (sensitive load), việc bù điện áp sụt sâu diễn thời gian dài trầm trọng việc bù điện áp sụt diễn thời gian ngắn Tuy nhiên, hệ thống DVR với mạch nạp điện bổ sung khắc phục tình trạng sụt áp sâu xảy hệ thống.Việc thiết kế bù có khả bù điện áp giới hạn rộng làm tăng giá thành, yêu cầu nguồn lưu điện tăng Hình 1: Kết nguyên cứu vấn đề sụt/quá áp tổ chức Semiconductor Equipment and Material International (SEMI) Hình 2: Bộ bù điện áp DVR sử dụng nghịch lưu nguồn áp vcom i IGBT Diode Diode S1a IGBT S1b 1:1 vcf Lf S1a i Common emitter back to back switch cell i L1 Cf L1 vo L o a d S1b vc1 v C1 C2 i v c2 S2b L2 S2a iL2 Hình 3: Bộ bù sụt/quá áp sử dụng biến đổi xoay chiều nguồn-Z Gần vài bù phát triển dựa chuyển đổi xoay chiều ac-ac [2]-[6], nơi mà xuất thành phần lưu trữ lượng ắc quy, tụ lưu điện lớn… Điều làm giảm kích thước giá thành bù Báo cáo [2] sử dụng máy biến áp nhiều dây quấn với cấp điện áp khác để bù điện áp sụt vào hệ thống Tuy nhiên bù bù điện áp tương đối, khơng thể bù xác sử dụng cấp điện áp khác Các bù [2]-[4] bù sụt áp, bù đề nghị [5] [6] có khả bù áp sụt áp Hình minh họa bù sụt/quá áp sử dụng biến đổi xoay chiều nguồn-Z đề xuất [6] Bộ bù điện áp đáp ứng khả bù điện áp sụt áp khoảng từ 30% đến 50% Tuy nhiên khơng có khả bù điện áp khoảng từ 50% đến 95%, nơi mà khả xảy sụt áp cao Hình (Lưu ý : để tránh hiểu lầm phần trăm sụt áp, quy ước sụt áp 30% hiểu điện áp lại 30% điện áp bị 70% so với điện áp danh định) Vì nhóm nghiên cứu đề xuất bù mới, phát triển dựa bù [6] kết hợp với chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z [7], có khả bù điện áp với vùng hoạt động rộng 1.2 Trong nước: Hiện nước có số cơng ty sản xuất thiết bị ổn áp Đa số thiết bị sử dụng công nghệ động servo với đáp ứng chậm Gần đây, số kết nghiên cứu phịng thí nghiệm Điện tử cơng suất – Đại học Bách Khoa TP HCM phát triển giải thuật bù dựa nghịch lưu đa bậc (multilevel inverters) [8] Ưu điểm bù so với bù sử dụng nghịch lưu bậc tạo chất lượng ngõ tốt hơn, giảm tổn hao đóng ngắt Tuy nhiên, sử dụng nghịch lưu nguồn áp có chứa phần tử lưu điện áp Với tình hình điện sử dụng nước nay, chất lượng điện thách thức Vì việc chế tạo bù cho thị trường nước nhận nhiều quan tâm CHƯƠNG II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung 1: Thiết kế chuyển đổi trực tiếp ac-ac dùng hệ thống bù Hình cấu hình chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z Nó bao gồm hai cuộn cảm, hai tụ điện hai công tắc hai chiều(bi-directional switch) Trong hình 4(a), chuyển đổi giống nguồn-Z với tải mắc vào hai nút a b đề nghị [7] Do tải mắc song song với công tắc S2 nên lọc xoay chiều LC cần phải thêm vào để loại bỏ thành phần sóng hài bậc cao xuất tải Để loại bỏ lọc xoay chiều ngõ ra, cấu hình cho chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z định dạng lại [9] cách mắc tải vào hai nút b c hình 4(b) S2 Load S2 C2 L1 vL1 a vC2 AC v source i S1 L1 L2 vL1 a vL2 b C1 vC1 C2 L2 vL2 b vC2 AC v source i vC1 S1 c c (a) C1 = Bi-directional switch L o a d (b) Hình 4: Cấu hình chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z (a) Tải mắc điểm a b ; (b) tải mắc điểm b c Bộ chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z có hai trạng thái hoạt động chu kỳ đóng ngắt Trong trạng thái 1, S kích đóng, S kích ngắt khoảng thời gian (1-D)T, với D tỷ số đóng ngắt cơng tắt S T chu kỳ đóng ngắt Chúng ta có: v L1 = v i + v C2 v L2 = v C1 (1) Trong trạng thái 2, S kích ngắt S kích đóng khoảng thời gian DT Ta thu được: v L1 = v i – v C1 v L2 = -v C2 (2) Từ (1) (2), áp dụng lý thuyết cân áp hai cuộn dây L L , ta tìm được: D  vc1 = D − vi (3)  v = − D v  c 2 D − i Đảm bảo giá trị cuộn cảm mạng nguồn-Z nhỏ khơng có điện áp rơi cuộn dây, điện áp tải xác định: 1− D  vab = −vc = − D vi  v = v = D v bc c1 i 2D −  (4) Hình mối quan hệ độ lợi điện áp ngõ với tỷ số đóng ngắt Đường gạch nối độ lợi điện áp v ab độ lợi điện áp v bc đường nét liền.Từ hình ta nhận thấy: tỷ số đóng ngắt nhỏ 0.5, điện áp v ab tăng áp pha với Hình 14: Mạch hồi tiếp tín hiệu điện áp vào áp Hình 15: Mạch tạo xung kích khối DLL Hình 16: Mạch động lực bù sụt/quá áp 13 2.8 Nội dung 8: Chạy thử, hiệu chỉnh thiết bị đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống Hình 17 sơ đồ khối hệ thống bù sụt/quá áp triển khai đề tài sử dụng chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z Hệ thống sử dụng TRIAC để kết nối với tải dựa vi điều khiển DSP TMS 320F2812 Các thông số dùng thí nghiệm giống với thơng số mô vcom T1 1:1 Filter Circuit vi PT Single-Phase Quasi-Z-Source AC-AC Converter Detection Circuit T2 L o PT a d vo Driver Circuit PWM ADC Controller DSP (TMS 320F2812) Hình 17: Sơ đồ khối hệ thống bù sụt/quá áp sử dụng chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z Như hình 17, hệ thống bù gồm vi điều khiển DSP TMS320F2812, mạch lái, hai mạch hồi tiếp tín hiệu áp vào ra, máy biến áp 1:1 chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z Ngõ vào bù nối vào máy phát sụt/quá áp nêu Mạch phần cứng chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z sử dụng IGBT SG23N60 Hai triac BTA16 đươc điều khiển MOC3020 sử dụng Hai cảm biến áp LEM LV25-P sử dụng mạch nhận biết cố sụt áp Tín hiệu ngõ mạch đưa vào 12-bit analog-to-digital (A/D) DSP Tùy thuộc vào tín hiệu đo điện áp ngõ vào bù mà DSP phát tín hiệu cho trường hợp sụt/quá áp để xuất xung điều khiển IGBTs triacs Điện áp hoạt động bình thường (áp danh định) thí nghiệm 220 V, điện áp bị sụt cho phép lại 90 V, điện áp bị lên đến 256 V (do giới hạn máy biến áp, nên mạch phát cực đại 256 V, thực tế bù cho phép áp đến 280 V) Hình 18 hình ảnh thí nghiệm thực tế tồn hệ thống 14 Hình 18: Hình thực tế phục vụ cho thí nghiệm đánh giá kết hệ thống 2.9 Nội dung 9: Viết báo cáo, báo khoa học Sau tiến hành nội dung trên, tập hợp liệu để viết báo cáo, báo tham dự hội nghị Kết có số đăng (xem phụ lục) 15 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nội dung 1: Thiết kế chuyển đổi trực tiếp ac-ac dùng hệ thống bù Một chuyển đổi xoay chiều dựa cấu hình nguồn-Z hình thiết kế, tính tốn Bằng cách điều chỉnh tỷ số đóng ngắt, điện áp ngõ tăng/giảm áp, pha nghịch pha với áp vào Kết giúp cho biến đổi xoay chiều nguồn-Z sử dụng để bù sụt/quá áp hệ thống Bởi hệ thống bù sử dụng chuyển đổi xoay chiều ac-ac nên kích thước giảm khơng có thành phần DC tụ lọc DC giá trị lớn Hình 18 hình ảnh thực tế chuyển đổi xoay chiều ac-ac nguồn-Z dùng hệ thống bù Hình 19: Hình thực tế chuyển đổi xoay chiều ac-ac 3.2 Nội dung 2: Đề xuất bù sụt/quá áp Đề tài đề xuất bù sụt/quá áp hình dựa chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z với vùng hoạt động bù rộng lớn Khi hệ thống bị áp, chuyển đổi phát điện áp bù nghịch pha với áp vào để lấy phần điện áp bị Khi hệ thống bị giảm đến 50% điện áp danh định, chuyển đổi phát điện áp tăng áp pha với áp nguồn Khi hệ thống bị giảm đến 50% điện áp danh định, chuyển đổi phát điện áp tăng áp pha với áp nguồn để bù vào điện áp bị Vì hệ thống giữ ổn định điện áp tải 220 Vrms 3.3 Nội dung 3: Mạch tạo sụt áp, áp Hình 20 thể mạch tạo cố sụt/quá áp thực tế Chúng sử dụng hai bóng đèn 220 V với cơng suất khác mắc nối tiếp để quan sát cố sụt/quá áp Một variac có điện áp ngõ thay đổi 0~256 V sử dụng Khi hoạt động bình thường 220 V, có bóng đèn cơng suất nhỏ sáng Khi xảy sụt áp cách nhấn nút bảng điện, bóng đèn mờ khoảng thời gian xác định trước (200 ms) Khi xảy áp, bóng đèn sáng lên với cường độ mạnh Do có tượng áp nên bóng đèn cơng suất cao sử dụng để hạn chế áp bóng đèn, tránh hư hỏng tạo cố Các thao tác để tạo sụt/quá áp: 16 Bước 1: chỉnh variac đến giá trị điện áp cần thiết giới hạn từ 90 V ~ 256 V (90 V nghĩa sụt 60% 256 V áp tăng lên 17%) Bước 2: lặp trình thời gian delay vi xử lý để tạo thời gian sụt áp mong muốn Bước 3: tải chương trình vào DSP, đóng điện để chạy mạch Bước 4: nhấn nút bảng điện để tạo cố sụt/quá áp Hình 20: Hình thực tế mạch tạo cố sụt áp 3.4 Nội dung 4: Thiết kế mạch để phát cố sụt/quá áp Mạch phát cố sụt/quá áp tiến hành vẽ capture thực layout Chúng làm mạch với thiết kế giống nhau, mạch sử dụng LEM LV-25p để lấy tín hiệu hồi tiếp hình 21 Hình 21: Mạch phát cố sụt/quá áp vẽ capture 17 Một mạch lấy tín hiệu hồi tiếp áp ngõ vào để phát cố sụt/quá áp, mạch thứ hai lấy hồi tiếp điện áp ngõ để điều khiển áp ổn định 220 V Hình 22 hiển thị hai mạch hồi tiếp thực Hình 22: Hình thực tế mạch phát cố sụt/quá áp 3.5 Nội dung 5: Nghiên cứu, thiết kế điều khiển bù điện áp Ngõ bù điện áp xoay chiều điều khiển PI để giữ ổn định 220 V Đoạn code sau viết thư viện dll PSIM ngôn ngữ C++ cho mạch áp: ////////================swell occur========================= if (Vi>235) // swell occur { out[16]=1; // Switch T1 ON out[17]=0; // Switch T2 OFF if(COUNT>=COUNT_MAX) { COUNT = 0; z=z%2; out[0]=z; //======================= PI control for Vout Err = V0_rms_ref - Vo; PI_SUM += Err*tstep; K_gain = KI*PI_SUM + KP*Err; D=(K_gain-1)/(2*K_gain-3); //D=1-D', D' duty cycle S2 if ((D0.22)) D=0.22; // gioi han cua swell Ton=D*k/(6.*f*P); Tsh = ((1-D)*k/(6.*f*P)); uvwo[0]=(Ton)/(k/(6.*f*P)); uvwo[1]=(Tsh)/(k/(6.*f*P)); //time_on //time_off out[1]=tstep*uvwo[0]; out[2]=tstep*uvwo[1]; out[11]=1; out[12]=1; z++; // // // // 18 Switch 1a,b Switch 2a,b Switch 1ab control Switch 1ab control } //end if(COUNT>=COUNT_MAX) } //if swell occur 3.6 Nội dung 6: Xây dựng lưu đồ giải thuật, sơ đồ khối cho toàn hệ thống bù điện áp Lưu đồ giải thuật đưa vào thư viên lập trình C++ phần mềm CCStudio v3.3 cho vi điều khiển DSP TMS320F2812 Code chương trình thể hàm ngắt ADC, qua lọc kỹ thuật số: interrupt void ADCINT_ISR(void) // 0x000D4A ADCINT (ADC) { single_adc = AdcRegs.ADCRESULT0 >> 4; // Read the result single_adc1 = AdcRegs.ADCRESULT1 >> 4; // Read the result single_adc2 = AdcRegs.ADCRESULT2 >> 4; // Read the result single_adc3 = AdcRegs.ADCRESULT3 >> 4; // Read the result single_adc4 = AdcRegs.ADCRESULT4 >> 4; // Read the result /////////////Peak voltage detector for Input Voltage/////////////////// sin_in = single_adc-1730; cos_in = single_adc1-1760; sin_in_SQRT = ((long)sin_in)*sin_in; cos_in_SQRT = ((long)cos_in)*cos_in; SUM_SQRT = sin_in_SQRT+cos_in_SQRT; Peak_in = sqrt(SUM_SQRT); //===========Digital Filter Vin_peak Peak_in_F = 0.9906*Peak_in_F + 4.69e-03*(Peak_in+Peak_in0); //60Hz cut-off Peak_in0=Peak_in; /////////////Peak voltage detector for Output Voltage/////////////////// sin_out = single_adc2-1400; cos_out = single_adc3-1400; sin_out_SQRT = ((long)sin_out)*sin_out; cos_out_SQRT = ((long)cos_out)*cos_out; Peak_out = sqrt(sin_out_SQRT+cos_out_SQRT); //===========Digital Filter Vout_peak Peak_out_F = 0.9984*Peak_out_F + 7.848e-04*(Peak_out+Peak_out0); //5Hz cut-off, Peak_out0=Peak_out; Vin_rms_final = (Uint16)(Peak_in_F/4.6); //ty le sau qua sensor > RMS value Vout_rms_final = (Uint16)(Peak_out_F/6); //ty le sau qua sensor > RMS value if((single_adc4 > 3000) && (single_adc4 < 3100)) { GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA0 = 0; button = 1; } if(button == 1) { if(i > 3300) {GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA0 = 1; i = 0; button = 0; } else i++; } if((Vin_rms_final >= 50) && (Vin_rms_final 110) && (Vin_rms_final 230) sag_swell = 3; else sag_swell = 0; 19 AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; } // end ADCINT_ISR() // Reset SEQ1 to CONV00 state // Clear ADC SEQ1 interrupt flag // Must acknowledge the PIE group 3.7 Nội dung 7: Mô hệ thống 3.7.1 Mô mạch phát cố sụt/quá áp: Mạch phát cố sụt/quá áp hoạt động theo yêu cầu đề Hình 23 kết mơ tín hiệu giá trị đỉnh thời điểm sụt/quá áp khác Khi xảy cố sụt áp, tín hiệu hồi tiếp giúp ta nhận biết trạng hệ thống Thời gian đáp ứng tương đối nhanh, khoảng ½ chu kỳ điện áp ngõ vào (a) Sụt áp 20% (b) Sụt áp 60% 20 (c) Quá áp 20% Hình 23: Kết mô mạch phát cố sụt/quá áp Dạng sóng phía trên: điện áp ngõ vào ; dạng sóng phía : tín hiệu hồi tiếp giá trị đỉnh áp vào 3.7.2 Mô bù sụt/quá áp: Hình 24 mơ điện áp vào hệ thống bù xảy sụt/quá áp Khi điện áp ngõ vào bị sụt/quá áp, điện áp ngoc giữ ổn định 220 Vrms Thời gian đáp ứng hệ thống nhanh, gần tức thời khơng có sụt áp đáng kể điện áp ngõ (a) Sụt áp 20% (b) Sụt áp 60% 21 (c) Q áp 20% Hình 24: Kết mơ hệ thông bị cố sụt/quá áp 3.8 Nội dung 8: Chạy thử, hiệu chỉnh thiết bị đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống Chúng tiến hành chạy thử nghiệm với tải bóng đèn để xem đáp ứng việc sụt/quá áp Hình 25 kết thí nghiệm đáp ứng mạch phát hiến cố sụt/quá áp điện áp ngõ vào có cố sụt/quá áp khác Từ hình chụp ossilocope, ta nhận thấy thời gian đáp ứng mạch phát cố nhanh, khoảng ¼ chu kỳ (5 ms) (a) Điện áp sụt 176 V (b) Điện áp sụt 90 V 22 (c) Điện áp tăng đến 256 V Hình 25: Kết thí nghiệm mạch phát cố sụt/q áp Dạng sóng phía trên: điện áp ngõ vào; dạng sóng phía : tín hiệu hồi tiếp phát cố áp vào (a) Sụt áp 20%, (b) sụt áp 60% (c) áp 16% Hình 26 kết thí nghiệm bù sụt/quá áp điện áp ngõ vào có cố sụt/quá áp khác Từ hình chụp ossilocope, ta nhận thấy xảy cố sụt/quá áp, hệ thống bù tự động phát phần điện áp pha với giá trị điện áp hình 26 (a) (b), phát điện áp nghịch pha với giá trị điện áp thêm vào hình 26 (c) giúp cho điện áp tải trì ổn định liên tục Dạng sóng hình 26 (a) (c) là: điện áp ngõ vào, điện áp bù điện áp ngõ Dạng sóng hình 26 (b) là: điện áp ngõ vào, tín hiệu sụt/quá áp, dòng điện tải dòng điện qua TRIAC T (a) 23 (b) (c) Hình 26: Kết thí nghiệm bù sụt/quá áp (a) sụt áp 20%, (b) sụt áp 60% (c) áp 20% 3.9 Nội dung 9: Viết báo cáo, báo khoa học Chúng tơi có số báo đăng tạp chí hội nghị chuyên ngành (xem phụ lục) Sau quy trình thiết kế bù sụt/quá áp hoàn chỉnh : Bước : xác định công suất, điện áp định mức hoạt động bình thường bù Bước : tính tốn giá trị điện áp q áp tối đa sụt áp tối thiểu cuả bù Bước : dựa thông số nêu trên, ta tính tốn lựa chọn thiết bị cho mạch theo công thức (8), (11)-(15) Bước : lựa chọn công suất, cấp điện áp máy biến áp cách ly tần số công nghiệp với tỷ số :1 24 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Đề tài đạt kết sau đây: Bộ bù điện áp pha dựa chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z đề xuất, phân tích Dựa đặc tính, mối quan hệ áp vào áp chuyển đổi xoay chiều nguồn-Z, bù hoạt động với vùng bù sụt/quá áp rộng lớn Kết mô rằng, bù có khả bù q áp hệ thơng đột ngột tăng thêm 20% điện áp danh định Ngoài ra, cịn có khả bù áp hệ thống bị sụt sâu, 60% điện áp danh định Để làm sở cho thí nghiệm bù hoàn chỉnh, đề tài đăng ký hai sản phẩm:  Bộ máy phát sụt áp, áp pha 220 V với đặc tính: o Có thể phát sụt áp đến 40% o Có thể phát áp đến 120% o Công suất 500 VA o Thời gian sụt/quá áp = 10 chu kỳ  Mạch phát cố sụt áp, áp với đặc tính: o Thời gian phát cố: từ ½ chu kỳ đến ¾ chu kỳ o Tín hiệu ngõ giao tiếp với DSP để điều khiển Các sản phẩm đáp ứng yêu cầu ban đầu đề Bộ máy phát sụt áp pha 220 Vrms sử dụng phịng thí nghiệm trường đại học Việt Nam, nơi mà điều kiện trang thiết bị cịn thiếu Ngồi máy phát sụt/q áp nâng cơng suất lên vài kW dãi điện áp hoạt động thay đổi, tùy theo tình hình sử dụng thực tế Bên cạnh việc phát cố sụt/quá áp, mạch phát cố sụt/quá áp dùng để lấy tín hiệu hồi tiếp dạng sóng xoay chiều phục vụ đo đạc, điều kiển với thời gian đáp ứng nhanh Ngoài kết đề tài thể qua báo khoa học đăng hội nghị (xem phần phụ lục báo khoa học tác giả liên quan đến đề tài) Kiến nghị: hạn chế kinh phí thời gian thực nên đề tài nêu mơ hình lý thuyết kiểm chứng mơ bù mà chưa có phần thí nghiệm hoàn chỉnh để bù đáp ứng điều kiện hoạt động sụt/quá áp khác Để kết đề tài ứng dụng, thiết nghĩ đề tài cần phát triển thêm để hồn thiện mơ hình thí nghiệm ứng với loại tải khác Do cấu hình bù đề tài sử dụng nguồn AC để bù điện áp, nên trình sụt/q áp cơng suất nguồn cấp cho bù phải quan tâm Do vậy, bù nên ứng dụng cho hộ gia đình có cơng suất trung bình (khoảng vài kW) mà có khả ứng dụng để bù cho nhà máy, xí nghiệp nơi mà sử dụng hệ thống 3-pha công suất lớn Đây giới hạn bù đề tài Các bù sử dụng cấu hình mạch nghịch lưu với nguồn lưu điện DC lớn lựa chọn tối ưu cho bù công suất lớn 25 PHỤ LỤC Danh mục báo khoa học tác giả liên quan đến đề tài [1] Minh-Khai Nguyen and al., Single-Phase Z-Source-Based Voltage Sag/Swell Compensator, in proc IEEE Applied Power Electronics and Exhibition, APEC 2013, 03-2013, pp 3138-3142, Long Bech, CA, USA Danh mục báo khoa học khác tác giả xuất năm [1] Minh-Khai Nguyen and al., Improved Trans-Z-Source Inverter with Continuous Input Current and Boost Inversion Capability, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 28, No 10, pp 4500-4510, Oct 2013 [2] Minh-Khai Nguyen and al., Transformer-Based Quasi-Z-Source Inverters with High Boost Ability, in proc IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE’13, 05-2013, pp.1-5, Taipei, Taiwan [3] Minh-Khai Nguyen and al., Trans-Z-Source-based Isolated DC-DC Converters, in proc IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE’13, 05-2013, pp.1-6, Taipei, Taiwan 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vilathgamuwa D M and al., Voltage sag compensation with Z-source inverter based dynamic voltage restorer, in proc the Power Electronics Specialist Conference, PESC’06, 2006, pp 2242-2248, Korea [2] Echavarría R and al., Analysis, design, and implementation of a fast on-load tap changing regulator, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 22, No.2, pp.527-534, 2007 [3] Montero-Hernhdez O C and al., Application of a boost ac-ac converter to compensate for voltage sags in electric power distribution systems, in Proc IEEE PESC’00, 2000, pp 470-475 [4] Lee D M and al., A voltage sag supporter utilizing a PWM-switched autotransformer, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 22, No.7, pp.626-635, 2007 [5] Pérez J and al., Single-phase ac-ac converter operating as a dynamic voltage restorer (DVR), in Proc IEEE IECON’06, 2006, pp 1938-1943 [6] Nguyen Minh-Khai and al., Voltage swell/sag compensation with single-phase Zsource ac/ac converter, in proc the 13th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE’09, 09-2009, pp P.1-P.8, Barcelona, Spain [7] Nguyen Minh-Khai, and al., A modified single-phase quasi-Z-source ac-ac converte, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 27, No 1, pp 201-210, Jan 2012 [8] T Q Nguyen, N V Nguyen, Application of carrier based single state pwm in threephase four wire multilevel inverter based active power filter, Vietnam Conference on Control and Automation 2011, VCCA 2011, pp 25-26, Nov 2012, Ha Noi [9] Nguyen Minh-Khai, and al., Single-phase ac-ac converter based on quasi-Z-source topology, IEEE Trans Power Electron., vol 25, no 8, pp 2200-2210, Aug 2010 [10] Chu H Y and al., Transient response of a peak voltage detector for sinusoidal signals, IEEE Trans Ind Electron., vol 39, no 1, pp 74-79, Feb 1992 27